Advanced MaterialsVolume 14, Issue 4 p. 317-321 Communication Lasing from Semiconductor Quantum Rods in a Cylindrical Microcavity M. Kazes, M. Kazes Institute of Chemistry and the Center for Nanoscience and Nanotechnology, The Hebrew University of Jerusalem, Jerusalem 91904 (Israel)Search for more papers by this authorD.Y. Lewis, D.Y. Lewis Institute of Chemistry and the Center for Nanoscience and Nanotechnology, The Hebrew University of Jerusalem, Jerusalem 91904 (Israel)Search for more papers by this authorY. Ebenstein, Y. Ebenstein Institute of Chemistry and the Center for Nanoscience and Nanotechnology, The Hebrew University of Jerusalem, Jerusalem 91904 (Israel)Search for more papers by this authorT. Mokari, T. Mokari Institute of Chemistry and the Center for Nanoscience and Nanotechnology, The Hebrew University of Jerusalem, Jerusalem 91904 (Israel)Search for more papers by this authorU. Banin, U. Banin banin@chem.ch.huji.ac.il Search for more papers by this author M. Kazes, M. Kazes Institute of Chemistry and the Center for Nanoscience and Nanotechnology, The Hebrew University of Jerusalem, Jerusalem 91904 (Israel)Search for more papers by this authorD.Y. Lewis, D.Y. Lewis Institute of Chemistry and the Center for Nanoscience and Nanotechnology, The Hebrew University of Jerusalem, Jerusalem 91904 (Israel)Search for more papers by this authorY. Ebenstein, Y. Ebenstein Institute of Chemistry and the Center for Nanoscience and Nanotechnology, The Hebrew University of Jerusalem, Jerusalem 91904 (Israel)Search for more papers by this authorT. Mokari, T. Mokari Institute of Chemistry and the Center for Nanoscience and Nanotechnology, The Hebrew University of Jerusalem, Jerusalem 91904 (Israel)Search for more papers by this authorU. Banin, U. Banin banin@chem.ch.huji.ac.il Search for more papers by this author First published: 19 February 2002 https://doi.org/10.1002/1521-4095(20020219)14:4<317::AID-ADMA317>3.0.CO;2-UCitations: 375AboutPDF ToolsRequest permissionExport citationAdd to favoritesTrack citation ShareShare Give accessShare full text accessShare full-text accessPlease review our Terms and Conditions of Use and check box below to share full-text version of article.I have read and accept the Wiley Online Library Terms and Conditions of UseShareable LinkUse the link below to share a full-text version of this article with your friends and colleagues. Learn more.Copy URL Share a linkShare onFacebookTwitterLinked InRedditWechat Abstract Lasers based on colloidal semiconductor nanostructures can benefit from the remarkable spectral coverage afforded through the quantum confinement effect. The first observation of lasing for colloidal CdSe/ZnS quantum rods in solution using a cylindrical microcavity is reported here (see also inside front cover). Lasing in the same configuration was also observed for spherical nanocrystal quantum dots. For the quantum dots lasing is not polarized, but in quantum rods the laser emission is highly linearly polarized, a desirable feature for laser and photonic applications. Citing Literature Volume14, Issue4February, 2002Pages 317-321 RelatedInformation

Abstract This study evaluates the influence of particle size, PEGylation, and surface coating on the quantitative biodistribution of near‐infrared‐emitting quantum dots (QDs) in mice. Polymer‐ or peptide‐coated 64 Cu‐labeled QDs 2 or 12 nm in diameter, with or without polyethylene glycol (PEG) of molecular weight 2000, are studied by serial micropositron emission tomography imaging and region‐of‐interest analysis, as well as transmission electron microscopy and inductively coupled plasma mass spectrometry. PEGylation and peptide coating slow QD uptake into the organs of the reticuloendothelial system (RES), liver and spleen, by a factor of 6–9 and 2–3, respectively. Small particles are in part renally excreted. Peptide‐coated particles are cleared from liver faster than physical decay alone would suggest. Renal excretion of small QDs and slowing of RES clearance by PEGylation or peptide surface coating are encouraging steps toward the use of modified QDs for imaging living subjects.

Abstract The cloning of long DNA segments, especially those containing large gene clusters, is of particular importance to synthetic and chemical biology efforts for engineering organisms. While cloning has been a defining tool in molecular biology, the cloning of long genome segments has been challenging. Here we describe a technique that allows the targeted cloning of near-arbitrary, long bacterial genomic sequences of up to 100 kb to be accomplished in a single step. The target genome segment is excised from bacterial chromosomes in vitro by the RNA-guided Cas9 nuclease at two designated loci, and ligated to the cloning vector by Gibson assembly. This technique can be an effective molecular tool for the targeted cloning of large gene clusters that are often expensive to synthesize by gene synthesis or difficult to obtain directly by traditional PCR and restriction-enzyme-based methods.

ABSTRACT Variations in the genetic code, from single point mutations to large structural or copy number alterations, influence susceptibility, onset, and progression of genetic diseases and tumor transformation. Next-generation sequencing analysis is unable to reliably capture aberrations larger than the typical sequencing read length of several hundred bases. Long-read, single-molecule sequencing methods such as SMRT and nanopore sequencing can address larger variations, but require costly whole genome analysis. Here we describe a method for isolation and enrichment of a large genomic region of interest for targeted analysis based on Cas9 excision of two sites flanking the target region and isolation of the excised DNA segment by pulsed field gel electrophoresis. The isolated target remains intact and is ideally suited for optical genome mapping and long-read sequencing at high coverage. In addition, analysis is performed directly on native genomic DNA that retains genetic and epigenetic composition without amplification bias. This method enables detection of mutations and structural variants as well as detailed analysis by generation of hybrid scaffolds composed of optical maps and sequencing data at a fraction of the cost of whole genome sequencing.

ABSTRACT Cancer cells display complex genomic aberrations that include large-scale genetic rearrangements and epigenetic modulation that are not easily characterized by short-read sequencing. We present a method for simultaneous profiling of long-range genetic/epigenetic changes in matched cancer samples. Clear cell renal cell carcinoma (ccRCC) is the most common subtype of kidney cancer. Most ccRCC cases demonstrate somatic genomic alterations involving the short arm of chromosome 3 (3p), most often targeting the von Hippel–Lindau ( VHL ) gene. Aiming to identify somatic alterations that characterize early stage ccRCC, we performed comprehensive genetic, cytogenetic and epigenetic analyses comparing ccRCC tumor to adjacent non-tumorous tissue. Optical genome mapping identified genomic aberrations such as structural and copy number variations, complementing exome-sequencing results. Single-molecule methylome and hydroxymethylome mapping revealed multiple differential regions, some of them known to be associated with ccRCC pathogenesis. Among them, metabolic pathways were significantly enriched. Moreover, significant global epigenetic differences were detected between the tumor and the adjacent non-tumorous tissue, and a correlation between epigenetic signals and gene expression was found. This is the first reported comparison of a human tumor and a matched tissue by optical genome/epigenome mapping, revealing well-established and novel somatic aberrations.

Abstract Reduced representation methylation analysis utilizes a subset of CpGs in order to report the overall methylation status of the probed genomic regions. Here, we use this concept in order to create fluorescent optical methylation profiles along chromosomal DNA molecules for epigenetic profiling. Reduced representation optical methylation mapping (R 2 OM 2 ) in combination with Bionano Genomics next generation genome mapping (NGM) technology provides a hybrid genetic/epigenetic genome map of individual chromosome segments spanning hundreds of kilobase pairs (kbp). These long reads, along with the single-molecule resolution, allow for epigenetic variation calling and methylation analysis of large structural aberrations such as pathogenic macrosatellite arrays not accessible to single-cell next generation sequencing (NGS). We show that in addition to the inherent long-read benefits of R 2 OM 2 , it provides genomic methylation patterns comparable to whole genome bisulfite sequencing (WGBS) while retaining single-molecule information. The method is applied here to detect methylation along genes, around regulatory histone marks and to study facioscapulohumeral muscular dystrophy (FSHD), simultaneously recording the haplotype, copy number and methylation status of the disease-associated, highly repetitive locus onchromosome 4q.

ABSTRACT DNA methylation, specifically, methylation of cytosine (C) nucleotides at the 5-carbon position (5-mC), is the most studied and among the most significant epigenetic modifications. Here we developed a chemoenzymatic procedure to fluorescently label non-methylated cytosines in the CpG context allowing epigenetic profiling of single DNA molecules spanning hundreds of thousands of base pairs. For this method, a CpG methyltransferase was used to transfer an azide to cytosines from a synthetic S -adenosyl-l-methionine cofactor analog. A fluorophore was then clicked onto the DNA, reporting on the amount and position of non-methylated CpGs. We found that labeling efficiency was increased two-fold by the addition of a nucleosidase that degrades the inactive by-product of the azide-cofactor after labeling, and prevents its inhibitory effect. We first used the method to determine the decline in global DNA methylation in chronic lymphocytic leukemia patients and then performed whole genome methylation mapping of the model plant Arabidopsis thaliana. Our genome maps show high concordance with published methylation maps produced by bisulfite sequencing. Although mapping resolution is limited by optical detection to 500-1000 base pairs, the labeled DNA molecules produced by this approach are hundreds of thousands of base pairs long, allowing access to long repetitive and structurally variable genomic regions.

ABSTRACT Reduced representation methylation profiling is a method of analysis in which a subset of CpGs is used to report the overall methylation status of the probed genomic regions. This approach has been widely adopted for genome-scale bisulfite sequencing since it requires fewer sequencing reads and uses significantly less starting material than whole-genome analysis. Consequently, this method is suitable for profiling medical samples and single cells at high throughput and reduced costs. Here, we use this concept in order to create a pattern of fluorescent optical methylation profiles along individual DNA molecules. Reduced representation optical methylation mapping (R 2 OM 2 ) in combination with Bionano Genomics next generation genome mapping (NGM) technology provides a hybrid genetic/epigenetic genome map of individual chromosome segments spanning hundreds of kilobase pairs (kbp). These long reads, along with the single-molecule resolution, allow for epigenetic variation calling and methylation analysis of large structural aberrations such as pathogenic macrosatellite arrays not accessible to single-cell next generation sequencing (NGS). We apply this method to facioscapulohumeral dystrophy (FSHD) showing both structural variation and hypomethylation status of a disease-associated, highly repetitive locus on chromosome 4q.

Abstract Nanopore sequencing platforms combined with supervised machine learning (ML) have been effective at detecting base modifications in DNA such as 5mC and 6mA. These ML-based nanopore callers have typically been trained on data that span all modifications on all possible DNA k -mer backgrounds—a complete training dataset. However, as nanopore technology is pushed to more and more epigenetic modifications, such complete training data will not be feasible to obtain. Nanopore calling has historically been performed with Hidden Markov Models (HMMs) that cannot make successful calls for k -mer contexts not seen during training because of their independent emission distributions. However, deep neural networks (DNNs), which share parameters across contexts, are increasingly being used as callers, often outperforming their HMM cousins. It stands to reason that a DNN approach should be able to better generalize to unseen k -mer contexts. Indeed, herein we demonstrate that a common DNN approach (DeepSignal) outperforms a common HMM approach (Nanopolish) in the incomplete data setting. Furthermore, we propose a novel hybrid HMM-DNN approach, Amortized-HMM, that outperforms both the pure HMM and DNN approaches on 5mC calling when the training data are incomplete. Such an approach is expected to be useful for calling 5hmC and combinations of cytosine modifications, where complete training data are not likely to be available.

Abstract Motivation While promoter methylation is associated with reinforcing fundamental tissue identities, the methylation status of distant enhancers was shown by genome-wide association studies to be a powerful determinant of cell-state and cancer. With recent availability of long-reads that report on the methylation status of enhancer-promoter pairs on the same molecule, we hypothesized that probing these pairs on the single-molecule level may serve the basis for detection of rare cancerous transformations in a given cell population. We explore various analysis approaches for deconvolving cell-type mixtures based on their genome-wide enhancer-promoter methylation profiles. Results To evaluate our hypothesis we examine long-read optical methylome data for the GM12787 cell line and myoblast cell lines from two donors. We identified over 100,000 enhancer-promoter pairs that co-exist on at least 30 individual DNA molecules per pair. We developed a detailed methodology for mixture deconvolution and applied it to estimate the proportional cell compositions in synthetic mixtures based on analyzing their enhancer-promoter pairwise methylation. We found our methodology to lead to very accurate estimates, outperforming our promoter-based deconvolutions. Moreover, we show that it can be generalized from deconvolving different cell types to subtle scenarios where one wishes to deconvolve different cell populations of the same cell-type. Availability The code used in this work to analyze single-molecule Bionano Genomics optical maps is available via the GitHub repository https://github.com/ebensteinLab/Single_molecule_methylation_in_EP . Contact uv@post.tau.ac.il (Y.E), roded@tauex.tau.ac.il (R.S)